DE1108310B - Gleichspannungswandler mit zwei Transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Umwandlung einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung und betrifft einen entsprechenden Wandler, bei dem die Eingangsspannung mittels zwei Transistoren in Gegentaktschaltung in eine Wechselspannung umgeformt und diese nach Transformation wieder gleichgerichtet wird.

Bei bekannten Wandlern dieser Art sind zwei Leistungstransistoren mit einem Transformator, dessen Kern aus sättigungsfähigem magnetischem Material besteht, in einer symmetrischen Gegentaktschaltung vereinigt, indem die Emitter-Basis- und Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren mit den Eingangswicklungen des Transformators derart verbunden sind, daß die Emitter-Kollektor-Strecken abwechselnd einen Strom durch diese Wicklungen zulassen; dabei wird der Kern abwechselnd in verschiedenen Richtungen magnetisiert, wenn eine Gleichspannung an die Emitter-Kollektor-Strecken und die betreffenden Eingangswicklungen gelegt wird. Der demzufolge in der Ausgangswicklung des Transformators erzeugte Strom wird über einen Vollweggleichrichter dem Verbraucher zugeführt. Die beiden Leistungstransistoren dieser Anordnung sind nur dann voll ausgenutzt, wenn die volle Belastbarkeit derselben auch wirklich erforderlich ist. Andernfalls ist wegen des hohen Preises derartiger Leistungstransistoren der Aufwand nicht gerechtfertigt.

Es sind zwar auch Wandlerschaltungen bekannt, bei denen die Eingangsspannung einen mit einem einzigen Transistor versehenen Schwingkreis speist, dessen Ausgangswechselspannung über einen Gleichrichter an den Verbraucher geliefert wird. Doch haben diese Schaltungen einen niedrigen Wirkungsgrad, abgesehen davon, daß ein frei schwingender Wechselstromerzeuger für niedrige Frequenzen schwer stabil zu halten ist, so daß der Verwendung von zwei Transistoren in Gegentaktschaltung im allgemeinen der Vorzug zu geben ist.

Um einen Gleichstromwandler mit zwei Transistoren in einer Gegentaktschaltung der oben beschriebenen Art auch für weniger anspruchsvolle Verbraucher wirtschaftlich zu gestalten, sieht die Erfindung vor, daß nur der eine Transistor für große, dagegen der andere Transistor für kleine Ströme ausgelegt ist und daß eine stromrichtungsabhängige Vorrichtung die Ausgangswicklung des Transformators mit dem Verbraucher nur während desjenigen Teiles der Spannungsperiode verbindet, der dem leitenden Zustand der Emitter-Kollektor-Strecke des für große Ströme ausgelegten Transistors entspricht. Hierbei dient als stromrichtungsabhängige Vorrichtung vor-Gleichspannungswandler mit zwei Transistoren

Anmelder:

General Electric Company, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 7. Februar 1956

Donald Arthur Paynter, Syracuse, N. Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

zugsweise eine Diode, die so gepolt ist, daß sie die Ausgangsspannung durchläßt, wenn der für große Ströme ausgelegte Transistor Strom führt, und daß sie sperrt, wenn der für kleine Ströme ausgelegte Transistor Strom führt.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung sind die Windungszahlen der zwischen Emitter und Kollektor der Transistoren liegenden Eingangswicklungen verschieden bemessen, um die Leitfähigkeitszeit der Transistoren zu verändern. In einem bevorzugten Fall ist die unterschiedliche Bemessung so gewählt, daß die Windungszahl der an der Emitter-Kollektor-Strecke des große Ströme führenden Transistors liegenden Eingangswicklung größer als die Windungszahl der entsprechenden Eingangswicklung des anderen Transistors ist und dadurch auch die Leitfähigkeitszeit des große Ströme führenden Transistors größer als die Leitfähigkeitszeit des anderen Transistors ist.

Mit dem Wandler nach der Erfindung ist zunächst eine wesentliche Verbilligung verbunden, insofern, als für den für kleine Ströme auszulegenden Transistor ein gewöhnlicher Signaltransistor verwendet werden kann, dessen Preis nur etwa den zehnten bis hundertsten Teil desjenigen eines Leistungstransistors ausmacht. Ein mit im Gegentakt arbeitenden Transistoren ausgestatteter und daher mit stabiler Frequenz arbeitender Gleichstromwandler kann daher in vielen Fällen Verwendung finden, in denen ein Wandler mit zwei Leistungstransistoren nicht ausgenutzt würde und daher zu aufwendig wäre. Überdies kommt aber der Wandler nach der Erfindung einem solchen mit zwei Leistungstransistoren in der Lei-

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stung unter Umständen sehr nahe, nämlich in den Fällen, in denen die Eingangsspannung niedrig im Verhältnis zur Spitzengegenspannung des größeren Transistors ist, so daß sich dann überraschenderweise nur eine geringe Abnahme der Ausgangsleistung des Wandlers der Erfindung gegenüber derjenigen eines Wandlers mit zwei Leistungstransistoren ergibt. Dabei ist zu beachten, daß bei dem Wandler der Erfindung auf der Ausgangsseite des Transformators auch die Vollweggleichrichtung entfällt und die vorgesehene einzelne Diode eine weitere Vereinfachung und Verbilligung darstellt. Schließlich wird durch die ungleichen Spannungsphasen der Wechselspannung bei verschieden langer Leitfähigkeitsdauer des Leistungs- und Steuertransistors eine Möglichkeit geschaffen, die Ausgangsleistung des Wandlers zu steuern, indem die Dauer der ausgenutzten Spannungsphase verändert wird.

Die Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild eines Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung des Wirkungsgrades der Umformung und der Ausgangsleistung als Funktion des Verbraucherwiderstandes bei der Schaltung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein n-p-n-Transistor 12 großer Leistung mit einem Emitter 13, einem Kollektor 14 und einer Basis 15 dargestellt. Ferner ist ein p-n-p-Transistor niedriger Leistung, z. B. ein Signaltransistor 16 mit einem Emitter 17, einem Kollektor 18 und einer Basis 19 vorgesehen sowie ein Transformator 20 mit Eingangswicklungen 21 und 22, Rückkopplungswicklungen 23 und 24 und Ausgangswicklungen 25.

Da die Polung der an den verschiedenen Wicklungen des Transformators auftretenden Spannungen für die Arbeitsweise der Schaltung wesentlich ist, ist an demjenigen Ende jeder Wicklung, das die gleiche Spannungspolarität gegenüber dem anderen Ende bei einer vorbestimmten Magnetisierungsrichtung des Transformatorkernes aufweist wie die anderen derart bezeichneten Wicklungen, ein Punkt hinzugefügt worden. Um die folgende Beschreibung einfacher zu gestalten, wird dieses Ende der Wicklung als positives Ende bezeichnet.

Die Eingangsklemme 10 ist mit dem Kollektor 14 verbunden. Der Emitter 13 ist an das positive Ende der Wicklung 21 und an das negative Ende der Wicklung 23 angeschlossen. Die Basis 15 ist über einen Strombegrenzungs- oder Vorspannungswiderstand 26 an das positive Ende der Wicklung 23 angeschlossen. Der Widerstand 26 wird durch einen Anlaßkreis überbrückt, der einen einpoligen einfachen Ausschalter 26 α aufweist, der in Reihe mit einer Batterie 26 b liegt. Die Batterie ist so gepolt, daß bei geschlossenem Schalter 26 α der Emitter 13 negativ gegenüber der Basis 15 vorgespannt ist. Die Eingangsklemme 10 ist auch mit dem Emitter 17 und dem negativen Ende der Wicklung 24 verbunden. Die Basis 19 steht über einen strombegrenzenden oder Vorspannungswiderstand 27 mit dem positiven Ende der Wicklung 24 in Verbindung. Der Kollektor 18 des Transistors 16 ist mit dem negativen Ende der Wicklung 22 verbunden, deren positives Ende an das negative Ende der Wicklung 21 und an die Eingangsklemme 11 angeschlossen ist.

Das positive Ende der Ausgangswicklung 25 ist mit der Anode eines Gleichrichters 28 verbunden, deren Kathode mit der Ausgangsklemme 31 in Verbindung steht. Das negative Ende der Wicklung 25 ist an die Ausgangsklemme 32 angeschlossen. Ein Belastungswiderstand 29 und ein Kondensator 30 liegen in Reihe zwischen den Ausgangsklemmen 31 und 32, so daß sie eine Siebanordnung bilden. Der Widerstand 29 verhindert einen Kurzschluß der Eingangs- und Rückkopplungswicklungen bei der Einschaltung des Kreises, so daß die Schwingungsanfachung in der ίο weiter unten erwähnten Weise stattfindet.

Beim Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird eine Gleichspannung an die Klemmen 10 und

11 gelegt, so daß die Klemme 10 positiv gegenüber der Klemme 11 ist. Es sei angenommen, daß die Ausgangswicklung 25 zu Beginn offen ist. Da der Wandler der Fig. 1 normalerweise nicht von selbst zu arbeiten beginnt, wird eine Schwingung im vorliegenden Fall dadurch angefacht, daß der Schalter 26 kurzzeitig geschlossen und dadurch ein kleiner Vorspannungsstrom in dem Basis-Emitter-Kreis des Leistungstransistors 12 hervorgerufen wird. Es ist klar, daß auch andere Arten der Erzeugung eines Vorspannungsstromes in dem Emitterkreis des Transistors 12 benutzt werden können, z. B. das Anlegen eines kurzen Impulses an den Widerstand 26 oder das Einschalten eines Widerstandes zwischen dem Kollektor 14 und der Basis 12. Im Ausgangskreis der Umformeranordnung zeigt sich, daß der Gleichrichter 28 in einer solchen Richtung gepolt ist, daß er leitend wird, wenn das positive Ende der Wicklung 25 gegenüber seinem negativen Ende positiv ist. Der Strom wird dem Verbraucher daher nur während der Zeit zugeführt, während der Transistor 12 leitend ist. Nur der Transistor 12 braucht daher eine genügende Stromaufnahmefähigkeit zu haben, um den Verbraucher zu speisen. Der Transistor 16 dagegen braucht nur so groß bemessen zu sein, daß er den Erregerstrom für die Wicklung 22 liefert.
Wenn die Wicklung 21 die gleiche Windungszahl wie Wicklung 22 hat, wird der Kern bei dem gleichen Maximalstrom in beiden Fällen gesättigt, da die Zeit, die erforderlich ist, damit der Strom in der betreffenden Wicklung den Sättigungswert erreicht, die gleiche ist. Wenn jedoch eine Wicklung, z. B. die Wicklung 21, eine größere Windungszahl hat als die andere Wicklung, z. B. doppelt soviel Windungen, dann ist nur halb soviel Strom notwendig, um den Kern zu sättigen, und die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes, die erforderlich ist, um die gleiche gegenelektromotorische Kraft zu erzeugen, ist nur ein Viertel so groß. Der Strom wird daher durch die Wicklung 21 doppelt so lange fließen wie durch die Wicklung 22. Der Maximalstrom in der Wicklung 22 ist doppelt so groß, und die Änderung wird das Vierfache betragen. Während es erwünscht ist, daß der Transistor 12 solange wie möglich leitend ist, sollte diese Zeit doch nicht so groß sein, daß sie eine so große Stromänderung in der Wicklung 22 erzeugt, daß in der Wicklung 21 eine Spannung induziert wird, welche zusammen mit der Spannung E_s die Nenngegenspannung des Transistors übersteigen würde.
Die maximale abgegebene Leistung des Transistors

12 wird dann erhalten, wenn die Spannung E zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 12 im Verhältnis zu der Eingangsspannung E_s groß ist. Die Größe, welche E annehmen kann, ist durch die inverse Spitzennennspannung des Leistungstransistors 12 gegeben.

Beim Vergleich der Leistungsaufnahme der Schaltung mit nur einem Leistungstransistor nach Fig. 1 mit einer Schaltung mit zwei Leistungstransistoren ergibt sich, daß bei niedriger Eingangsspannung E_s und bei einer hohen inversen Spitzennennspannung E_v die von der Schaltung der Fig. 1 gelieferte Leistung sich derjenigen nähert, die von einem Umformer mit zwei Leistungstransistoren geliefert wird. Da das Verhältnis E_s: Ep normalerweise bei vielen Anwendungen klein ist, ergibt sich nur eine kleine Abnahme der Ausgangsleistung bei Verwendung eines Umformers mit nur einem Leistungstransistor nach Fig. 1 im Vergleich mit der Schaltung mit zwei Leistungstransistoren.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse für einen Wandler mit einem einzigen Leistungstransistor bei einer Schaltung der angegebenen Art. Die Ausgangsleistung P₀ und dex gesamte Wirkungsgrad?; sind als Funktion des Verbraucherwiderstandes aufgetragen. Im Bereich der dargestellten Ausgangsleistung beträgt der Wirkungsgrad 90^fl/o bei 6 bis 10 Watt und nimmt auf 75% bei 19 Watt Ausgangsleistung ab. Die Ausgangsleistung nimmt bei einer Abnahme des Verbraucherwiderstandes nichtlinear zu. Bei konstanter Ausgangsspannung ändert sich die Ausgangsleistung umgekehrt wie der Verbraucherwiderstand. Die Kurven der Fig. 2 zeigen, daß die Spannungsregelung des Wandlers der Fig. 1 als gut bezeichnet werden kann, weil die Wirkungsgradkurve keinen nennenswerten Knick vom Leerlauf bis zum Vollastzustand zeigt.

Die Kurven lassen auch erkennen, daß eine hohe Ausgangsleistung in Verbindung mit einem sehr guten Gesamtwirkungsgrad mit einem Gleichspannungswandler mit nur einem Leistungstransistor gemäß der Erfindung erzielt werden kann. Wie bereits erwähnt wurde, kann eine Ausgangsleistung, die mit derjenigen einer Schaltung mit zwei Leistungstransistoren vergleichbar ist, in den Fällen erhalten werden, in denen die Speisespannung ein kleiner Bruchteil der Nenngegenspannung des Leistungstransistors ist.

Da die Schaltung der Erfindung gewöhnlich nicht von selbst anläuft, hat sie auch den Vorteil eines Schutzes gegen Überlastungen. Der Rückkopplungsstrom in dem Basiskreis des Leistungstransistors 12 kann für günstigste Arbeitsweise bei einer bestimmten Verbraucherleistung durch den Widerstand 26 eingestellt werden. Wenn diese Verbraucherleistung um einen bestimmten Betrag überschritten wird, hört die Schwingung auf, und die Eingangsleistung des Wandlers wird Null.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:
   1. Gleichspannungswandler mit zwei Transistoren und einem Transformatorkern aus einem sättigungsfähigen magnetischen Material mit einer Anzahl von Eingangswicklungen und einer an einen Verbraucher angeschlossenen Ausgangswicklung, bei dem die Emitter-Basis- und Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren mit den Eingangswicklungen derart verbunden sind, daß die Emitter-Kollektor-Strecken der beiden Transistoren abwechselnd einen Strom durch die betreffenden Eingangswicklungen zulassen, so daß der Kern abwechselnd in verschiedenen Richtungen magnetisiert wird, wenn eine Gleichspannung an die Emitter-Kollektor-Strecken und die betreffenden Eingangswicklungen gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Transistor für große und der andere für kleine Ströme ausgelegt ist und daß eine stromrichtungsabhängige Vorrichtung die Ausgangswicklung mit dem Verbraucher nur während desjenigen Teiles der Spannungsperiode verbindet, der dem leitenden Zustand der Emitter-Kollektor-Strecke des für große Ströme ausgelegten Transistors entspricht.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromrichtungsabhängige Vorrichtung aus einer Diode besteht, die so gepolt ist, daß sie die Ausgangsspannung durchläßt, wenn der für große Ströme ausgelegte Transistor Strom führt, und daß sie sperrt, wenn der für kleine Ströme ausgelegte Transistor Strom führt.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Emitter und Kollektor der Transistoren liegenden Eingangswicklungen verschiedene Windungszahlen aufweisen, um die Leitfähigkeitszeit der Transistoren zu verändern.
4. 4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl der an der Emitter-Kollektor-Strecke des große Ströme führenden Transistors liegenden Eingangswicklung größer ist als die Windungszahl der entsprechenden Eingangswicklung des anderen Transistors und dadurch auch die Leitfähigkeitszeit des große Ströme führenden Transistors größer ist als die Leitfähigkeitszeit des zugehörigen anderen Transistors.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   AIEE Transactions vom März 1955, S. 120 und 121, sowie vom Juli 1955, S. 323.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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